Порядок выполнения работы.

1. Изучить устройство и принцип работы лазерной технологической установки.

1. По формулам (9) и (10) рассчитать величину энергии излучения лазера Е и величину фокусного расстояния объектива f для прошивки отверстий в нержавеющей стали

h=1мм и диаметром 0,3мм.(D=6,3 мм, l =50 мм, 2=3х10^-3 рад, =1,5 мс.)

Рис.3 Оптическая схема лазерной технологической установки для прошивки отверстий в материалах.

1- источник лазерного излучения; 2,3 - телескопическая система; 4- визуальный канал; 5- поворотное зеркало; 6- оптическая система для фокусировки лазерного излучения; 7- защитная пластинка; 8,9- устройство для контроля энергии лазерного пучка; 10- подсветка; 11- образец для прошивки отверстий.

3. Провести исследование зависимости формы продольного се-чения отверстий от положения фокуса лазерного пучка относительно поверхности обрабатываемой детали.

4. Экспериментально исследовать зависимость размеров полу-чаемых отверстий при различных значениях энергии излучения лазера.

5. Составить отчет о проделанной работе.

Контрольные вопросы.

1. Влияние свойств материала на выбор технологических режимов при прошивке отверстий лазерным излучением.

2. Зависимость размеров получаемых отверстий от энерге-тических и временных характеристик лазерного излучения.

3. Зависимость формы отверстий при одной и той же энергии, но при различных положениях фокуса объектива относительно поверхности образца.

4. Методика расчета параметров лазерного импульса с целью получения цилиндрического отверстия с размерами h и d при известных оптических и теплофизических характеристиках материала.

5. Оптическая схема лазерной установки.

Литература

1. К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко Применение лазеров в машиностроении, приборостроении –Л. Машиностроение, 1978 г.

2. К.М. Банас Лазерная обработка материалов. –ТИИЭР,1982, т.70 №6.с.35-45.

3. Лазеры в технологии. / Под редакцией М.Ф.Стельмаха. –М: Энергия , 1975 г.

4. Л.А. Вивер Применение лазеров для различной обработки и сварки. –В сб.: Применение лазеров. –М. Мир,1974 г.

5. А.А. Углов , А.А. Гнедовец К оценке уменьшения интенсив-ности лазерного излучения плазмой вблизи поверхности твердых мишеней. –Физика и химия обработки материалов, 1979,№5, с.3-11.

5. Т.Н.Соколова, Л.А.Сурменко. Лазерная размерная обработка материалов, применение в электронной технике. 1986 г.

Лабораторная работа № 8. Лазерная точечная сварка металлов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение процесса лазерной точечной сварки металлов для различных типов соединений.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: лазерная установка «Квант-12», металлографический микроскоп, образцы для сварки, измеритель энергии ИКТ-1Н, осциллограф, фо­тодиод ФД-24К, шлифовальные и полировальные порошки, реактив для травления.

Теоретическое введение.

При взаимодействии с поглощающей средой световой поток частично отражается от поверхности, а частично проникает внутрь материала, погло­щаясь в нем. Изменение плотности светового потока q, т.е. количества свето­вой энергии, приходящейся на единицу поверхности материала в единицу времени, в поглощающей среде описывается законом Бугера - Ламберта.

(1)

где q₀ - плотность падающего светового потока на поверхности материала: А - поглощательная способность материала; А= 1-R (R. - коэффициент отражения);  (x) - коэффициент поглощения света в среде.

Координата x отсчитывается от поверхности вглубь материала. Формула (1) соответствует случаю нормального скин-эффекта. Она применима к самым различным материалам. Конкретные значения входящих в неё величин А и , а также механизмы поглощения света и перехода его в тепло могут при этом сильно отличаться для различных материалов. В металлах кванты света поглощаются в основном электронами проводимости, которые рассеивают поглощенную энергию на тепловых колебаниях решетки за время _ei  10^-11  10^-10 сек.

Этот процесс протекает в слое толщиной 10^-6 10^-5 см.

Пространственное распределение поглощенного светового потока в металле для оптических частот соответствует закону Бугера – Ламберта (1). Это обу­словлено тем, что для оптических частот путь, проходимый электроном в металле за один период колебания поля, значительно меньше глубины проникновения излучения =1/ , в результате чего выполняется закон Ома и скин-эффект является нормальным.

При этом (x) =  = соnst

q(x)=q₀Aexp(–x) (2)

а значение величин  и А определяются выражениями

(3)

(4)

где и - заряд и эффективная масса электрона;

n₀ - концентрация свободных электронов в металле;

- частота столкновения электронов, при которых происходит изменение импульса; c₀- скорость света в вакууме.

Для большинства металлов в оптическом диапазоне длин волн характерны высокая отражательная способность R=1-А (от 70% до 95%) и большой ко­эффициент поглощения 10 ⁵10 ⁶ см ^-1 .

Высокая плотность мощности на поверхности свариваемых деталей, обеспечиваемая лазерными источниками излучения, обуславливает высокий темп нагрева, что облегчает сварку металлов, обладающих большой тепло­проводностью (медь, серебро) и высокой температурой плавления (вольфрам, тантал, молибден). При сварке металлов световое пятно, полу­чаемое на поверхности свариваемых деталей при фокусировке излучения, является поверхностным источником нагрева, так как излучение поглощается тонким поверхностным слоем толщиной в несколько сотых долей микро­на. При плотностях мощности 10 ⁵10 ⁶ Вт/см² и длительности порядка 10^-310^-2 сек передача тепла в глубину свариваемых материалов осуществ­ляется в основном за счет теплопроводности.

Стадии развития процессов проплавления при различных плотностях мощности излучения показаны на рис. 1. Зона проплавления в этом случае имеет форму близкую к сферической.

Практически при лазерной сварке в большинстве случаев наблюдается интенсивное испарение металла. Это приводит к тому, что под давлением пара поверхность сварочной ванны прогибается. Участок этой поверхности непосредственно воспринимающий энергию излучения, опускается (рис. 1б).

Если при этом поверхностное натяжение расплавленного металла еще пре­пятствует его выплеску, то после окончания действия излучения еще не застывший металл заполняет образовавшееся углубление. В результате проги­ба сварочной ванны глубина проплавления увеличивается по сравнению с нагревом без заметного испарения. Форма зоны проплавления становится конической (рис.1 б,в).

Рис. 1 . Стадии развития процессов проплавления при различных плотностях мощности излучения.

а) - проплавление за счет теплопроводности, q=10 ⁵10 ⁶ Вт/см²

б) - прогиб сварочной ванны, q=510 ⁵510 ⁶ Вт/см ²

в) - глубокое проплавление, q=10 ⁶10 ⁷ Вт/см²

1 - излучение лазера; 2 - свариваемые детали; 3 - расплавленный металл; 4 - застывшая сварочная ванна; 5 - объем заглубления; 6 - временное отверстие, полученное за счет испарения.

Увеличению глубины проплавления при интенсивном испарении с поверхности сварочной ванны способствует перемешивание верхних, нагретых до наибольшей температуры, и нижних, более холодных слоев расплавленного металла, которое возникает из-за неравномерного на­грева в пределах светового пятна. При увеличении плотности мощности в центре светового пятна до величины порядка 510 ⁶ 510⁷ Вт/см² в свароч­ной ванне образуется узкое глубокое отверстие, металл из которого частично испаряется, частично вытесняется к периферии ванны (рис.1в). После окон­чания действия импульса временное отверстие заполняется металлом, рас­плавленным в периферийной зоне светового пятна, где плотность мощности была недостаточно для интенсивного испарения. Увеличению эффекта глу­бокого проплавления способствует пичковая структура импульсных твердотельных лазеров, так как за время действия одного пичка плотность мощно­сти в центре светового пятна может достигать 10⁷10⁸ Вт/см. Изменение энергетических характеристик лазерного излучения позволяет осуществлять сварку пользуясь различными механизмами проплавления, выбор которых зависит от свойств свариваемых материалов и характера соединения.

При воздействии светового потока на поверхность свариваемых деталей часть его отражается. Для всех металлов коэффициент отражения увеличива­ется с увеличением длины волны света. В таблице 1 приведены коэффициен­ты отражения некоторых металлов.

В процессе нагрева поглощательная способность многих металлов заметно увеличивается с ростом температуры. Например, у серебра и меди при воздействии излучения с длиной волн 1,06 мкм она увеличивается примерно в два раза при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления. В то же время у стали изменение оптических характеристик в том же интер­вале температур невелико.

На рис.2 показаны зависимости глубины и диаметра зоны проплавления не­которых металлов, от энергии излучения лазера на стекле с неодимом (при по­стоянных длительности импульса и диаметре светового пятна).

Следует отметить, что увеличение длительности лазерного импульса способ­ствует более полному удалению из сварочной ванны нерастворенных газов и уменьшает возможность образования пористости после застывания металла. Наиболее благоприятной формой импульса излучения при сварке является трапециидальная или треугольная с относительно крутым передним и поло­гим задним фронтом.

Таблица 1.